Спецификация физической среды технологии Ethernet

Основным кабелем для построения сети считается коаксиальный кабель (толстый и тонкий). Витая пара используется для улучшения общих характеристик, например, для отключения станции при возникновении сбоя при сохранении работоспособности сети в целом. Оптоволоконный кабель используется для увеличения протяженности сети.

Стандартом предусмотрен ряд ограничений при построении сети Ethernet (табл. 1). Их соблюдение гарантирует работоспособность сети. Однако при использовании смешанных кабельных систем либо при необходимости отклонения от ограничений стандарта, необходимо выполнить расчет для проверки работоспособности сети. Чтобы сеть работала корректно, необходимо выполнение следующих условий:

количество станций в сети – не более 1024;

максимальная длина каждого физического сегмента – не более величины, определенной в соответствующем стандарте физического уровня;

время двойного оборота сигнала PDV между двумя самыми удаленными узлами сети – не более 575 битовых интервала;

сокращение межкадрового интервала IPG (PVV, Path Variability Value) при прохождении последовательности кадров через все повторители – не более 49 битовых интервала

Для расчета сети с целью определения работоспособности комитет IEEE 802.3 устанавливает данные о задержках, вносимых повторителями и кабелями.

Развитие технологии: Fast Ethernet

Технология Fast Ethernet является развитием технологии 10-ти мегабитной Ethernet. Спецификация Fast Ethernet описана в стандарте IEEE 802.3u. Стандартом предусмотрено отказ от коаксиального кабеля и использование топологии «звезда» для построения сети на коммутаторах и повторителях.

Для увеличения скорости передачи данных до 100 Мбит/с пришлось отказаться от манчестерского кода для физического кодирования и заменить его методом NRZI для оптоволокна и MLT-3 для витой пары. Для обеспечения надежной самосинхронизации дополнительно введено логическое кодирование 4В/5В, не допускающее передачи более трех нулей подряд. При использовании кабеля UTP 3категории с полосой пропускания 25 МГц применяется метод 8В/6Т, позволяющий увеличить частоту до 33,3 МГц за счет передачи 8 бит за 6 тактов по трем парам кабеля.

Таблица 1. Характеристики физической среды
Параметр	10Base-5	10Base-2	10Base-T	10Base-F (10Base-FL, 10Base-FB)
Кабель	Толстый коаксиальный кабель RG-8 или RG-11	Тонкий коаксиальный кабель RG-58	Неэкранированная витая пара категории 3, 4 или 5	Многомодовый волоконно-оптический кабель
Максимальная длина сегмента, м	500	185	100	2000
Максимальное расстояние между узлами сети (с учетом использования повторителей), м	2500	925	500	2500 (2740 для 10Base-FB)
Максимальное количество узлов в сегменте	100	30	1024	1024
Максимальное количество повторителей между любыми двумя узлами сети	4	2	4	4 (5 для 10Base-FB)

Технология Fast Ethernet рассчитана на подключение конечных узлов - компьютеров с соответствующими сетевыми адаптерами - к многопортовым концентраторам-повторителям или коммутаторам. Правила корректного построения сегментов сетей Fast Ethernet включают:

• ограничения на максимальные длины сегментов, соединяющих DTE c DTE;

• ограничения на максимальные длины сегментов, соединяющих DTE с портом повторителя;

• ограничения на максимальный диаметр сети;

• ограничения на максимальное число повторителей и максимальную длину сегмента, соединяющего повторители.

Таким образом, в качестве DTE используется порт сетевого адаптера и порт коммутатора, т.е. такие устройства, которые способны формировать новый кадр. Коммутатор, хоть и не формирует фактически новый кадр, однако принимает его полностью и перед отправкой, при необходимости, участвует в «захвате» среды передачи данных.

Стандарт определяет три модификации для обеспечения работы с разными видами кабелей Fast Ethernet: 100Base-TX, 100Base-T4 и 100Base-FX. Модификации 100Base-TX и 100Base-T4 рассчитаны на витую пару, а 100Base-FX был разработан для оптического кабеля. Стандарт 100Base-TX требует применения двух пар UTP или STP. Одна пара служит для передачи, другая - для приема. Этим требованиям отвечают два основных кабельных стандарта: EIA/TIA-568 UTP Категории 5 и STP Типа 1 компании IBM.

В 100Base-TX привлекательно обеспечение полнодуплексного режима при работе с сетевыми серверами, а также использование всего двух из четырех пар восьмижильного кабеля - две другие пары остаются свободными и могут быть использованы в дальнейшем для расширения возможностей сети. Этот кабель дороже других восьмижильных кабелей (например категории 3). Кроме того, для работы с ним требуется использование пробойных блоков (punchdown blocks), разъемов и коммутационных панелей, удовлетворяющих требованиям категории 5. Нужно добавить, что для поддержки полнодуплексного режима следует установить полнодуплексные коммутаторы.

Стандарт 100Base-T4 отличается более мягкими требованиями к используемому кабелю. Причиной тому то обстоятельство, что в 100Base-T4 используются все четыре пары восьмижильного кабеля: одна для передачи, другая для приема, а оставшиеся две работают как на передачу, так и на прием. Таким образом, в 100Base-T4 и прием, и передача данных могут осуществляться по трем парам. Раскладывая 100 Мбит/с на три пары, 100Base-T4 уменьшает частоту сигнала, поэтому для его передачи достаточно и менее высококачественного кабеля. Для реализации сетей 100Base-T4 подойдут кабели UTP Категорий 3 и 5, равно как и UTP Категории 5 и STP Типа 1.

Преимущество 100Base-T4 заключается в менее жестких требованиях к проводке. Кабели Категорий 3 и 4 более распространены, и, кроме того, они существенно дешевле, нежели кабели Категории 5, о чем не следует забывать до начала монтажных работ. Недостатки же состоят в том, что для 100Base-T4 нужны все четыре пары и что полнодуплексный режим этим протоколом не поддерживается.

Fast Ethernet включает также стандарт для работы с многомодовым оптоволокном с 62.5-микронным ядром и 125-микронной оболочкой. Стандарт 100Base-FX ориентирован в основном на магистрали - на соединение повторителей Fast Ethernet в пределах одного здания. Традиционные преимущества оптического кабеля присущи и стандарту 100Base-FX: устойчивость к электромагнитным шумам, улучшенная защита данных и большие расстояния между сетевыми устройствами.

Расчет конфигурации сети Fast Ethernet

В сетях Fast Ethernet любой источник кадров данных для сети: сетевой адаптер, порт моста, порт маршрутизатора, модуль управления сетью и др. относят к определенной категории оборудования, которая называется - DTE (Data Terminal Equipment).

Порт повторителя не является DTE, так как он просто побитно повторяет на выходе, то, что получает на входе, то есть повторяет уже появившийся в сегменте кадр.

Правила корректного построения сегментов сетей Fast Ethernet включают:

• ограничения на максимальные длины сегментов, которые соединяют устройства- источники кадров (соединение DTE- DTE);

• ограничения на максимальные длины сегментов, соединяющих устройства-источники кадров (DTE) с портом повторителя;

• ограничения на общий максимальный диаметр сети;

• ограничения на максимальное число повторителей и максимальную длину сегмента, соединяющего повторители.

В типичной конфигурации сети Fast Ethernet несколько устройств-источников кадров (DTE) подключается к портам повторителя, образуя сеть топологии звезда.

Таблица 2. Типы кабелей

Спецификация	Тип кабеля	Максимальная длина
100Base-TX	Category 5 UTP	100
100Base-FX	многомодовое оптоволокно	412 (полудуплекс) 2000 (полный дуплекс)
100Base-T4	Category 3,4 или 5 UTP	100

Повторители Fast Ethernet делятся на два класса

Повторители класса I поддерживают все типы логического кодирования данных: как 4В/5В, так и 8В/6Т. (принимают 100Base-TX, 100Base-FX и 100Base-T4)

Повторители класса II поддерживают только какой-либо один тип логического кодирования - либо 4В/5В, либо 8В/6Т (либо все порты 100Base-T4, либо порты 100Base-TX и 100Base-FX).

При этом допускается использование только одного повторителя класса I. Это связано с тем, что такой повторитель вносит большую задержку при распространении сигналов из-за необходимости передачи различных систем сигнализации. Величина этой задержки распространения для одного повторителя класса I равна - 70 bt. Повторители класса II вносят меньшую задержку при передаче сигналов: 46 bt для портов TX/FX и 33,5 bt для портов Т4. Причем допустимое расстояние между этими двумя повторителями, по соответствию выполнения условия допустимого PDV, можно выбирать не длиннее 5 метров.

Таблица 3. Параметры сети на основе повторителей 1-го класса

Тип кабеля	Макс. диаметр сети,м	Макс. длина сегмента,м
Только витая пара (100Base-TX)	200	100
Только оптоволокно (100base-FX)	272	136
Несколько сегментов на витой паре и один на оптоволокне	260	100(TX) 160(FX)
Несколько сегментов на витой паре и несколько на оптоволокне	272	100(TX) 136(FX)

Стандарт IEEE 802.3 приводит данные об удвоенных задержках, вносимых кабельными сегментами, сетевыми адаптерами и повторителями Fast Ethernet. По сравнению с аналогичными данными для Ethernet-сетей методика расчета несколько изменилась. В сети Fast Ethernet сегменты не делятся на левый, правый и промежуточные; кроме того, вносимые сетевыми адаптерами задержки учитывают преамбулы кадров, поэтому рассчитанное значение PDV нужно сравнивать не с 575bt, а с 512bt, т.е. временем передачи кадра минимальной длины без преамбулы.

Таблица 4. Задержки, вносимые кабелем

Тип кабеля	Задержка, bt на 1м
UTP cat.3	1,14
UTP cat.4	1,14
UTP cat.5	1,112
STP	1,112
Оптоволокно	1,0

Таблица 5. Задержки, вносимые сетевыми адаптерами / портом коммутатора

Тип адаптеров	Задержка, bt
Два адаптера TX/FX	100
Два адаптера Т4	138
Один TX/FX и один T4	127

Таблица 6. Удвоенные задержки повторителей

Тип повторителей	Задержка, bt
класса 1	140
класса 2(Т4)	67
класса 2(TX/FX)	92